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[Ansys仿真] Q3D仿真验证L、G分布参数差距巨大

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发表于 2015-11-11 16:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-11 17:14 编辑
8 ~+ n+ Y1 Q  R0 J& ^; f  d6 R2 N" F4 D; [1 G
近日开始使用Q3D软件。为了验证自己是否操作正确,故特意仿了一段微带线,但是发现其单位电导,单位电感有点差距。; ]& c0 _, z& G9 R3 {. S/ a
( r) G2 j) L# U1 `" E; O
叠层设置如下1 \- _6 n% }. E+ }. K: l
QQ截图20151111171612.png
% C) X# i! d  K$ b: T0 q& ?
# H) V5 c/ u# h9 \5 r: P8 R1、SI9000算得在100MHz情况下计算RLGC模型的各参数:
  }: c5 V% I# Y QQ截图20151111165006.png
6 Q& i& Z2 O) i6 t* Q4 U8 R9 m+ E: ~5 P' Z$ C" B
即SI9000计算的值如下(每inch):
  u& z: Z& S( G1 v6 `% H: YR= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
. F" j% B& N( q+ F1 D, O1 }) p0 c

# }8 O3 O& [5 Y$ U3 O1 ^2、Q3D依据同样的叠层建模,走线长度为100mil,在走线的两端分别添加Source和Sink,参考平面设置为地网络
, f- e) l4 z, w  h) B- g QQ截图20151111165406.png QQ截图20151111165459.png
( B4 v0 A! K( w: t* ?1 e9 ~3 I+ \: Z: A3 z5 {$ \
求解设置(比较高的精度要求):
! Z4 ~& A) ]- d2 X5 K9 F QQ截图20151111165548.png 收敛:
" _1 u0 S' C8 q QQ截图20151111171339.png # x( b/ I% P$ N1 z4 b$ P: V

* [- s8 F$ V2 [) _( J2 T4 b求解的RLGC值:
# ^, I) G" `$ Z( ?2 Q  c+ t* r+ [ QQ截图20151111165804.png QQ截图20151111165819.png
! k7 m% A9 l0 Z3 G: F- o. h即Q3D计算的值如下(按每inch换算):
2 J& j  n0 }0 ?( _7 N: M, mR= 0.30384Ω   L=15.222nH  G=0.032678  C=3.1485pF( K+ i* P' I8 }2 b3 t1 d  Q
! t& x: e$ L7 B* Y! Q
把SI9000计算的值再次罗列如下(每inch):5 K- @' b( m9 e$ H& {: r; K( D
R= 0.363Ω   L=7.94nH  G=3.46*10^-5  C=3.03pF
, p9 t. L+ t& N  J. a, f! I- U
& P# \6 M( R$ @0 `% |2 N% Q: j可以看到L和G差距非常大,想问一下具体是什么原因导致了这么大的差距?是Q3D软件的使用方法问题么?Q3D的模型如附件,软件版本为2014。 Project7.zip (22.29 KB, 下载次数: 16)

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参与人数 1威望 +5 收起 理由
pjh02032121 + 5

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发表于 2015-11-13 13:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 17:362 ~: G& I' T& `$ g1 y
之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。  S3 s3 S) n4 w* |* V9 I0 I

1 T  T' W4 G9 ^* k+ S3 c ...

$ ?1 T3 l$ `/ a6 f5 G; G) S选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。
6 |" K, \! X5 Z. u; y1 l+ D对于交流:7 y9 \# T$ b1 o- K9 J
而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。
/ ]: V* X; o1 A; F! |/ l- @正确的算self inductance的方式应该是地平面加infinite GND boundary,因为真的参考面只有与正馈相邻的面,参考层的地厚度对微带线几乎无影响。
/ S: K% L. s( x+ N3 p你如果一定要用singal的方式,那么就要以同样的馈电位置形成端口,然后reduce return或者reduce ground去除到地的互感影响,否则就不是正确微带线的模型。! R7 f5 m6 C1 n4 f& B' _
0 ~' [) l* Z$ ]- b" k* O5 i
L matrix是有self和mutual部分的$ X0 C3 X' D$ n$ \* p; L
环路中的loop inductance和self inductance只有在构成信号环路且返回路径为电边界的情况下才相等,因为此时的mutual为0,self就是loop。若不是电边界,视作信号线的话,那么其就存在mutual,self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感。
, M% @: i0 `" X0 m' B5 }" @- s; {你原始工程文件的GND NET方式是没有GND测试点的,所以测出来的就是signal的loop inductance,只不过其AC环路没有包括地而是到无穷远处的电边界,而GND NET只是其中一个静态线,但是其算出来的self inductance是不是等于和地构成的环路的partial inductance,答案是否,你可以删掉GND的copper,你会发现结果和有这个inductance会略增大,但是差异不大,很显然就是去掉了signal到GND net部分的mutual inductance影响。所以你算出来的这个self inductance值,到底是个什么东西,取决于你的激励和边界是不是和真实的信号传输线结构相同。/ b4 t& ]* F- K# u, P

; L3 T% N0 d! u5 T, W( b- B$ E, n2 K" t8 p& k% I. W
) W/ s4 _# _# n3 W" L: ^, o

点评

[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ] 你確定 self 就是 partial 嗎? Q3D 可以解任何一段導體 (包含人們認知的 signal net 或 ground net ) 的局  详情 回复 发表于 2015-11-13 23:27
谢谢版主,我先细细消化一下。  详情 回复 发表于 2015-11-13 16:30
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发表于 2015-11-12 10:09 | 显示全部楼层
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。+ T; {7 d9 ?5 N- _1 B2 c  q
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是一致的,差距估计也就在5%左右。! {+ M# n0 E8 O1 z4 A9 ~7 F) l; C8 Q
至于G,mS和S的单位差你难道没发现么?3 _5 U& c, ]! p9 n# b0 o) y: P
  A  B; }+ Z8 b" u6 n6 d

点评

多谢版主!还是版主强大。 G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。 按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感? Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:02
新年伊始,稳中求胜

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发表于 2015-11-12 16:03 | 显示全部楼层
<< 而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance >> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.- u+ z. [: k2 v4 o: [* h
% z: c* \0 M, o) l6 F
均勻傳輸線特性阻抗要與 Polar 比較,請用 Q3D 的 "2D Extractor " 求解。

点评

之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。 果然是的,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:36
事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。 算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。 那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?:  详情 回复 发表于 2015-11-12 17:10

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 楼主| 发表于 2015-11-12 15:02 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-12 10:093 ~, f' q! d" h* Y5 K4 B) {0 P
这就涉及到一个partial inductance 和 total inductance的概念了。0 i) K: T8 Z1 f! Z7 i( N2 T
可以肯定的告诉你Q3D和SI9000的结果是 ...
0 W: v! Y  t& \4 ~2 D
多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。4 m! L, T! N- ]7 d

% q* K) R, n- P按您这么说Q3D软件算出来的都是局部自感,要自己去通过公式换算成回路电感?
! ?8 L) n. o5 s: W7 hLloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual
! M! r7 B  i8 I9 }( Q3 i
" `* q" n: {3 c4 {: u' `4 n上文我把参考平面Assign成Ground网络了,这样Matrix结果里面就没有两导体的互感。其实我把参考平面Assign成Ground网络就是想让信号线参考它呀,不然这个Ground网络的意义为何?
+ K8 F& K' Q+ f- |  a( z
/ {! [- g% A( T( c7 d" N那我想算Lloop具体应该怎么做呢?地平面也要设置成Signal网络,再加Sink和Source得到互感后手工计算?2 D5 Y5 U( h; v6 R4 ~  ]7 P
6 Y3 P0 |( f- a. l! ?
还有对Reduce Matrix里面也有Ground Net和Return Path,对其用法不是很了解。版主能否详细介绍下呢?非常感谢?
3 _% A+ B& f) G# ?7 g7 F

点评

事实上,Q3D算的就是loop inductance。 SI9000算的才是self inductance。 RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。  详情 回复 发表于 2015-11-12 15:36
发表于 2015-11-12 15:36 | 显示全部楼层
tanghao113 发表于 2015-11-12 15:02
6 }% J: a2 ~" i  H  ^6 M多谢版主!还是版主强大。G是我看错单位了,一急就犯晕了。。。见笑了。- m- g9 F- B( x
' C+ A( C1 d3 O! V6 o* p/ R
按您这么说Q3D软件算出来的都 ...
% ^" H" H, k; ]! \6 }3 N, @5 g8 {  u
事实上,Q3D算的就是loop inductance。  h! y) ]2 M+ B" r2 x$ {# j* D
SI9000算的才是self inductance。! C: x  r" k! W& E. Y
RLGC构成的电路L11,而Q3D里算的是source到sink构成的环路的inductance。
* p( v, d% A& H! T2 z7 w' s2 v' ?

点评

请教版主一个问题么?我在SIWAVE设置好PCB的相关叠层参数,导出到Q3D的时候PCB介质显示一整块的,不是我想要的结果,这种情况该怎么办呢?  详情 回复 发表于 2017-3-6 20:22
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发表于 2015-11-12 17:10 | 显示全部楼层
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
4 g. E) K8 S- P/ |6 ~> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.( ?+ o- [0 Y! G+ |
- p: Z/ L, n) ]& W5 n
均勻傳輸線特性 ...

! l: a. I) w: a) J事实上,楼主的模型本就没选GND作为signal,而是直接用的ground net。8 W! _0 ^6 c. }! z+ z
算出来的matrix本就是包含了signal self+GND,没有signal net给你reduce。% R6 S( O# `/ K2 ?' M+ s
那么我所说的source到sink的环路是loop inductance是不是成立呢?
5 {- }2 }4 r6 \4 ~
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 楼主| 发表于 2015-11-12 17:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 tanghao113 于 2015-11-12 17:41 编辑 9 J* d6 x6 R2 k& R! |/ ?
Head4psi 发表于 2015-11-12 16:03
( e; I8 r# Q5 A3 w" S> , 此言差矣,單 source到sink 為局部電感,Reduce Return Path 才成 loop inductance.
* J1 h0 Y5 Z# i2 @7 f( m: [7 x' \4 B9 C, k2 \
均勻傳輸線特性 ...

- t) U% v3 L/ g2 T之所以验证传输线是因为这是手头上能够对比的最好模型,以便验证自己对Q3D软件的使用理解是否正确。
7 e2 n4 P; P8 x: A7 t% a$ ~7 N  K. T% y0 t% b
果然是的,信号与参考平面都Assign为Signal Net,用Reduce Return Path后与SI9000比较符合。且Reduce Matrix可按Original Martrix通过以下公式计算得到Lloop = Lself-signal + Lself-return - 2*Lmutual
# e: C( a+ P' I3 z4 L# [& E0 H' ~) g- O" p, [2 u9 j
其中设置为:信号与参考平面都Assign为Signal Net,都设置好Source和Sink,不过要使得电流方向方向要设成同向,若设成反向则超出很多。经分析与Lmutual的±号有关,不知为何要设置同向电流,比较难以理解,按理回流应该反向才对。
7 `6 P1 L1 I! d0 l' L+ T
; r8 Q( h3 ^; B: X5 N: S' D& e* K7 B! k同向时候(Original与Return Path矩阵):* v! V8 u# p) j2 g5 z' s0 J8 `
QQ截图20151112172425.png QQ截图20151112172216.png 3 U# n6 o) |- T8 Y6 o3 s
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=7.2938nH5 W3 b# y/ }0 C' F7 Z  c+ q$ W

2 j* ?9 _+ j; X, i$ o  x反向(Original与Return Path矩阵):
- z2 ~! T6 R$ O2 A7 w! _( O 2.png 3.png ( `# {. J6 Y. t+ [" i% \+ m  o/ r
即Q3D计算的值为(按每inch换算) L=48.918nH: k( e' u2 N9 `+ ]" v8 f1 n
. X" K& z+ k5 D- g0 c, ]
! Q/ O9 p- v& K! |/ A$ \; ?
/ \: m2 N2 e$ t- s

% w# P% v& M. n. ?7 g5 b
: V' A. b$ S: Y8 V" u3 r# p

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选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。 对于交流: 而测试点在source端,你如果加反向source,那么获得的互感就不是微带线正馈和负馈构成的端口上的互感了。 正确的算self inductance的方式应该是地平面加infini  详情 回复 发表于 2015-11-13 13:36

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 楼主| 发表于 2015-11-13 16:30 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-13 13:36
! k, `, W* g4 q8 G% Q4 ], O选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。) }4 e: f3 ?7 p7 o
对于交流:8 p  v- M1 d0 s5 F. e
而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...

  q% i5 [% d/ C& V. H1 V1 X4 J  T/ b谢谢版主,我先细细消化一下。. D2 G$ K& a, T) N( y- K

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发表于 2015-11-13 23:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 Head4psi 于 2015-11-15 20:39 编辑
* _& G6 k8 i; M) [1 ^4 w
cousins 发表于 2015-11-13 13:36
% r1 \3 Z3 k7 |0 }9 @/ S1 w选择同向的原因是因为Q3D是电流源激励。" n8 m; ?8 r9 z! G& E5 N
对于交流:! A1 F. K; B( B; q; e, k( G
而测试点在source端,你如果加反向source,那么获 ...
- S' O" \4 ^. L
4 z) d' {& D1 F' ]$ @- w7 n$ z6 L
! n0 S3 Y, b/ g! D  p
, J  `7 A$ r' A" q$ R+ U

点评

我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有互感的前提下,自感为partial。 而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模  详情 回复 发表于 2015-11-14 07:52

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发表于 2015-11-13 23:29 | 显示全部楼层
Q3D_Extra_PartialL.png , p" j! L$ \# h$ A
Partial_LoopL.png

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[attachimg]105481[/attachimg] 有关多根走线共用返回路径的环路电感的计算,我的理解如下(电流流向如上图所示): 环路1的环路电感为:(L11 + L12 + L13 - L1-return) + (Lreturn - L1-return - L2-r  详情 回复 发表于 2015-12-2 14:12
发表于 2015-11-14 07:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 cousins 于 2015-11-14 08:09 编辑
& ?& r3 X0 L$ ]1 _/ d
Head4psi 发表于 2015-11-13 23:27
/ U7 k8 ~0 J: x3 S[ self就是parital。partial inductance是存在于两个导体构成的AC环路中的其中一个导体的本身电感 ]
. ?6 d0 _# b! I" C* F ...
( j# P+ A% R- Y  t  a
我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环路,有对静态地互感的前提下,自感为partial。
8 Y) `0 k: F/ a, w而且,你这样讲就和你之前所说Q3D算的是partial矛盾了,楼主最开始的模型算的L11难道不是自感?你又不是很肯定的说是partial?
1 p' l+ w) D. f. l" P3 p6 `# q' g

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看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了  详情 回复 发表于 2015-11-16 16:51
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 楼主| 发表于 2015-11-16 16:51 | 显示全部楼层
cousins 发表于 2015-11-14 07:520 @* M: O( G* ]; ]4 A
我都讲了self为partial有前提条件了,你不要不管我前面所陈述的条件,我说的是存在两个导体构成一个环 ...

" f3 j+ Z# b, u/ c. a7 }; `看晕了,这个reduce martix太烦人了,自己看得头都大了0 [1 Q3 @9 Y" D/ R6 W

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 楼主| 发表于 2015-11-18 11:45 | 显示全部楼层
光是这个电感就够我回去在研究一遍电磁场了,先传个附件,学习学习

Archambeault3.pdf

580.95 KB, 下载次数: 23, 下载积分: 威望 -5

PP_PartialInductance.pdf

273.01 KB, 下载次数: 35, 下载积分: 威望 -5

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学习了,好东西收藏下  详情 回复 发表于 2018-7-31 17:01

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 楼主| 发表于 2015-11-19 17:44 | 显示全部楼层
       最近这几天有好好学习了一下Q3D的官方教程。了解到Q3D软件解出来的都是Partial inductance(局部电感),而Q2D或SI9000这些2D场解工具算出来的都是Loop inductance(回路电感)。如下图所示:
QQ截图20151119152302.png

$ d( u, x' H8 Q! C+ s% q2 @1 Z       其中Patial inductance又含Partial self-inductance(局部自电感)和Partial mutual inductance(局部互电感),有关这两个概念可参见Eric Bogatin大师的书,上面写得很清楚。! d' ]3 i7 \5 H! i: _8 ?
       为了实测(其实实测的就是Loop inductance,因为必须要形成环路才会有电流流过)能与Q3D的仿真数值能联系起来,必须使用Martix Reduction来获得Loop inductance。如下图所示。1 p, P3 d1 y, B" ?

  ?' u5 H  l$ u/ b, O+ q. i7 G6 R( v: J4 D$ \
QQ截图20151119153212.png

: e! R6 K1 J' Y1 j/ y. H0 f! y8 m4 R& f; y0 K- D. I
) z( U) A! t- J/ o0 ]+ w
       Q3D可以求解出Patial inductance(局部电感)LS1,LR1,LS1-R1,为了得到Loop inductance(回路电感),用Martix Reduction中的Return Path来求得。. o+ T5 D3 X, t8 a
QQ截图20151119153514.png

4 ]; [) k3 x5 P9 }8 l8 ]9 M
  b' ]; {" T4 e& M+ C& l* b3 b+ m; U( ?2 X, f' r
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